مطالعه سنتیک و ترمودینامیک واکنش های مخلوط های پیروتکنیکی جدید با اکسنده های متداول و برخی از کاهنده های معدنی و آلی

نام پیروتکنیک از دو لغت یونانی پیرو (pyro) به معنی آتش و تکنیک (technic) به معنی فن گرفته شده است. ترکیبات پیروتکنیکی بر پایه مخلوطی از عوامل کاهنده مانند پودر آهن، بور، زیرکونیم، قلع، منیزیم، آلومنیوم و لاکتوز و اکسنده های معدنی مانند پودر پتاسیم کلرات، پتاسیم پرکلرات، پتاسیم پرمنگنات، باریم نیترات و پتاسیم نیترات است. که این اجزاء با فرمولاسیون ویژه جهت تولید انرژی به کار می روند. پیروتکنیک ها به علت جامد و متراکم بودن، انرژی زیادی نسبت به حجم مواد اولیه به صورت کنترل شده و زمان دار تولید می کنند و کاربردهای زیادی در تولید گاز، گرما، نور، حرکت، دود، صدا و رنگ دارند. مهمترین کاربردهای این مخلوط ها در باتری های حرارتی، لامپ های تهییج کننده در لیزرهای نیمه پیوسته، کیت های جوشکاری، تولید کننده های اکسیژن، کشاورزی، کبریت سازی، پزشکی، آتشبازی، علامت دهنده ها، تولیدکننده های گاز و دودزاها می باشند. مهمترین کاربرد صنعتی پیروتکنیک ها در صنایع خودروسازی به عنوان کیسه های هوای ایمن است که این فرایند بر اساس واکنش شیمیایی ذرات جامد آزیدهای معدنی (سدیم آزید و آمونیوم آزید) به عنوان عامل کاهنده و ذرات اکسند های معدنی(مانند پتاسیم کلرات، پتاسیم پرکلرات، اکسید آهن و پتاسیم نیترات) است. در این گونه واکنش ها طی چند میکرو ثانیه واکنش اکسایشی وکاهشی رخ داده و حجم بالائی از محصولات گازی تولید می گردد که باعث محافظت از سرنشینان اتومبیل می گردد. این موضوع بیش از نیمی از تحقیقات پیروتکنیکی در سال های اخیر را به خود اختصاص داده است. واکنش های پیروتکنیکی از نوع اکسایشی وکاهشی می باشند. بنابراین محدوده تحقیقات الکتروشیمی و پیروشیمی بسیار نزدیک بهم است. در یک باتری ag2o + zn ? 2ag + zno در یک سیستم پیروتکنیکی fe2o3 + 2al ? 2fe + al2o3 به طور کلی یک واکنش پیروتکنیکی اکسایشی وکاهشی را می توان به صورت زیر نشان داد: عامل احیاء کننده اکسید شده(2) + عامل اکسید کننده احیاء شده(1) سوخت(عامل احیاء کننده)(2)+ اکسیدان(عامل اکسید کننده)(1) واکنش های مخلوط های پیروتکنیکی اغلب شامل واکنش های جامد-جامد، جامد-مایع یا جامد-گاز است و در محدوده دمایی 4000-1500 درجه سانتیگراد انجام می شوند بنابراین پیش بینی سنتیک واکنش یک مخلوط پیروتکنیک یا ممکن نیست و یا حتی با به کارگیری تئوری شیمی که بر پایه واکنش اکسایشی وکاهشی شیمیائی در محلول ها استوار است، تنها به طور جزئی امکانپذیر می باشد. بنابراین در بیشتر موارد، محصولات واکنش در یک واکنش اکسایشی وکاهشی پیروتکنیکی، شبیه آنچه براساس تئوری شیمی معدنی کلاسیک پیش بینی می شود، نیست. در اکثر مواقع درک صحیح یک واکنش پیروتکنیکی به سختی امکان پذیراست، تحقیقات اخیر در زمینه پارامترهای موثر بر واکنش های پیروتکنیکی نشان می دهد که پیچیدگی های رفتار شیمیائی این گونه واکنش ها در حالت جامد ممکن است مربوط به عوامل متعددی از قبیل ماهیت عوامل اکسنده وکاهنده، میزان پایداری حرارتی این عوامل، اندازه ذرات مواد جامد، ناخالصی ها و لایه های اکسیدی برروی سطوح عوامل کاهنده باشند و از آنجاییکه مدل های مناسبی برای توجیه این اثرات در دسترس نمی باشند توسعه ترکیبات پیروتکنیکی تا به امروز عمدتاًٌَ بر اساس روش های سعی و خطا بوده و به طور مشخص تر به طور تجربی انجام می گردید. به طوری که تا مدت ها، تجربیات، پایه و مبنای اصلی پیروتکنیک ها محسوب می شد. این دلیل اصلی است که چرا ترکیبات متداول محدودی دقیقاً به روش مشابهی در تمام جهان استفاده می شوند. به هرحال احتیاج به گسترش مدل های مناسبی جهت در نظر گرفتن این پارامترها مورد نیاز می باشد. برخلاف کاربردهای وسیع مخلوط های پیروتکنیکی، تنها در دو دهه گذشته توجه اندکی به فهم و به کارگیری قوانین ترمودینامیک و اصول شیمی حالت جامد، جهت توجیه پیچیدگی های واکنش های آنها گردیده است. به دلیل پراکندگی و توزیع ضعیف گرما در واکنش های حالت جامد، اختلاف دمایی زیادی بین سطح داخلی ذرات جامد و سطح بیرونی، جائی که دما اندازه گیری می شود، وجود دارد. بنابراین یکی از محدودیت های اصلی در به دست آوردن داده های ترمودینامیکی و سنتیکی از واکنش های جامد-جامد چند جزئی پیروتکنیکی، ناشی از اطلاعات ناکافی در مورد دمای واقعی واکنش است، زیرا تنها در مورد واکنش های همگن امکان اندازه گیری دقیق دمای واکنش وجود دارد. اغلب داده های سنتیکی در واکنش های حالت جامد از طریق روش های غیر همدما به دست می آید. با پیشرفت در تجهیزات آنالیز حرارتی و به کارگیری نمونه های کوچک، این نمونه های کوچک به شرایط همگنی کمک می نمایند. مشخص گردیده که توصیف حرارتی یک مرحله اساسی در مطالعه مخلوط های پیروتکنیکی است. آنالیز حرارتی یک تکنیک مناسب جهت مطالعه خواص ترمودینامیکی و ترموشیمیائی مواد پیروتکنیکی به روش منطقی است. به طوری که اطلاعات کامل و جامعی از هریک از اجزاء و مخلوط بدست می آید که هم برای مبحث ایمنی و هم جهت پیش بینی رفتار حرارتی دارای کاربرد است. همچنین تعیین سرعت تجزیه حرارتی و سنتیک واکنش های پیروتکنیک ها دارای اهمیت بالائی جهت بررسی ایمنی در تولید، انبارداری و حمل ونقل این مواد می باشد. جهت ارزیابی پایداری حرارتی پیروتکنیک ها می توان از تکنیک های حرارتی شامل آنالیز حرارتی دیفرانسیلیdta)) -گرماسنجی روبش دیفرانسیلی (dsc)و آنالیز وزن سنجی حرارتی (tga) استفاده نمود. بنابراین با توجه به مطالب عنوان شده در زمینه نیاز به مخلوط های پیروتکنیکی جدید و با توجه به پیشرفت های اخیر در زمینه دستگاه های آنالیزحرارتی و گرماسنجی، نیاز به تهیه و معرفی مخلوط های پیروتکنیکی جدید با کارائی بهتر و دارای ایمنی بالاتر و مطالعه سنتیک و ترمودینامیک واکنش های اکسایشی وکاهشی در مخلوط ها به کمک ارائه مدل های سنتیکی جدید، کاملا احساس می گردد.